Fatigue des matériaux et des structures
CoursOutils transverses

Paramètres d'influence de la fatigue des joints soudés

La durée de vie en fatigue des joints soudés est fortement affectée par la présence en pied du cordon d'une concentration de contrainte liée à la géométrie de la soudure. Les zones d'amorçage de la fissure sont en correspondance soit avec cet accident géométrique du cordon, soit avec un défaut interne (manque de pénétration, soufflures) ou externe (caniveaux, inclusions de laitier).

La résistance statique d'un assemblage soudé bout à bout est en général égale à celle du métal base par contre la résistance en fatigue est bien inférieure. Différents paramètres affectent la tenue en fatigue des joints soudés :

  • facteurs géométriques : forme du cordon, mauvais alignement des tôles, épaisseur des tôles,

  • facteurs métallurgiques : nature du métal base, procédé de soudage, défauts de soudage, niveau des contraintes résiduelles,

  • facteurs liés à la sollicitation : mode de chargement (amplitude constante ou variable, rapport de charge), gradient de sollicitation, biaxialité des contraintes, environnement.

Epaisseur de la tôle et facteur d'échelle

De nombreuses études montrent que pour des joints géométriquement similaires, la résistance en fatigue tend à décroître lorsque l'épaisseur des tôles augmente. L'évolution des durées de vie en fatigue en fonction de l' épaisseur B pour des assemblages en T sollicités en flexion est de la forme :

(1)
(1)

B0 est une épaisseur de référence et K( ) un paramètre.

D'une façon plus générale, l'expérience montre que des pièces semblables réalisées avec un même matériau ont une résistance en fatigue décroissante lorsque toutes les dimensions augmentent. Ceci est dû au fait que la probabilité d'apparition des défauts susceptibles d'amorcer une fissure croît proportionnellement avec le volume de la pièce.

Figure 4.3.1 Influence de l'épaisseur sur la résistance à la fatigue d'un joint soudé de type C
Figure 4.3.1 Influence de l'épaisseur sur la résistance à la fatigue d'un joint soudé de type C

Mode de chargement

Le mode de chargement est aussi très influent sur la résistance en fatigue d'une soudure. La comparaison de résultats obtenus soit en traction, soit en flexion, fait apparaître un effet du gradient de contrainte au voisinage du pied du cordon, qui se traduit par des durées de vie différentes en fatigue avec la même amplitude de contrainte appliquée. Similairement, la position des appuis par rapport au point d'application de la force est un facteur qui influence la nature des contraintes en proximité du cordon. Ces contraintes peuvent être de traction ou de flexion ou biaxiale dans les zones de concentration (Figure N° 4.3.2).

Figure 4.3.2 Définitions des points de rupture en fatigue dans un assemblage en T soumis à une traction et une flexion
Figure 4.3.2 Définitions des points de rupture en fatigue dans un assemblage en T soumis à une traction et une flexion

Peu de résultats de la littérature concernent le cas de chargements complexes ; une méthode consiste à considérer la contrainte principale maximale comme contrainte de calcul à comparer à la contrainte admissible de l'assemblage considérée.

Dans la figure N°4.3.2, on peut remarquer la variation de la contrainte maximale équivalente en deux points différents du cordon de soudure (point 1 et 2).Pour des distances d'appui Se différentes, on peut prévoir que la rupture tirera son origine dans la position 1 en traction ou dans la position 2 en flexion selon la grandeur du bras d'appui. Les résultats ont été obtenus pour un joint en T sollicité en flexion 3 points. On notera que l'amorçage se fera au point 2 pour des distances Se = 15 et 20 mm.

Figure 4.3.3 Evolution de la contrainte maximale équivalente en fonction de la distance au pied du cordon au pont 2pour un joint en T d'épaisseur 18 mm
Figure 4.3.3 Evolution de la contrainte maximale équivalente en fonction de la distance au pied du cordon au pont 2pour un joint en T d'épaisseur 18 mm

Rapport de charge

La valeur du rapport de charge R= min / max a une grande influence sur l 'endurance en fatigue pour le matériau de base.

En pratique, lorsque l'on peut craindre la présence de contraintes résiduelles élevées et qu'il n'est pas possible de mesurer celles-ci ou d'effectuer un traitement de détente, on admet que l'amplitude de contrainte correspond à la valeur de l'amplitude maximale. Les premiers cycles même si la valeur du rapport est élevée, déterminent dans la zone plastique une baisse de la contrainte moyenne jusqu'aux conditions R = 0. C'est pourquoi la plupart des codes de calcul actuels ne considèrent pas l'effet de la contrainte moyenne et fournissent pour un type d'assemblage donné une seule valeur de variation de contrainte admissible .

Figure 4.3.4 Evolution de la contrainte moyenne au cours des cycles de fatigue
Figure 4.3.4 Evolution de la contrainte moyenne au cours des cycles de fatigue

Défauts d'alignement

Figure 4.3.5 Définitions des défauts d'alignement dans les joints soudés
Figure 4.3.5 Définitions des défauts d'alignement dans les joints soudés

Ces types de défauts conduisent à des moments de flexion parasites qui viennent s'ajouter à la contrainte nominale appliquée. Puisque l'alignement entre les plaques soudées et le système de charge et d'amorçage sur la tôle n'est jamais parfaitement fiable, soit pour les éprouvettes d'essais, soit dans les structures soudées des produits industriels, l'effet combiné de deux type de défaut (axial et angulaire) doit être pris en compte dans les règlements. En effet, la présence d'un angle de désalignement inférieure à 1° conduit à contraintes parasites de l'ordre d'une centaine de MPa. La contrainte de flexion b s'exprime en fonction de la contrainte axiale axial par

(2)
(2)

Facteurs métallurgiques internes

Une des conclusions les plus importantes obtenues est que la nocivité des inclusions dépend principalement de la présence possible d'hydrogène. Ce rôle de l'hydrogène dans la diminution d'endurance des joints soudés, en liaison avec la présence de porosité, a été reconnu par de nombreux auteurs. L'influence des soufflures et des inclusions de laitier sur les caractéristiques de fatigue provoque évidemment des effets négatifs, mais on a montré que tels défauts n'affectent l'endurance du métal que pour des durées de vie supérieures à 104 cycles.

Plus généralement on établi que le degré de nocivité des défauts métallurgiques internes (pores, cratères de reprises, manque de pénétration, inclusions non métalliques et morsures de bord) correspond à la concentration de contrainte induite.

Influence des contraintes résiduelles

Par définition, les contraintes résiduelles forment un système de contraintes internes en équilibre qui existe en l'absence d'une charge extérieure. Elles sont généralement le résultat d'une déformation plastique permanente due aux effets thermiques locaux du procédé de soudure, ils sont dus en particulier à la contraction du métal, à la variation de la limite d'élasticité et du coefficient de dilatation thermique avec la température. Elles tirent leur origine de diverses façons ; souvent les tôles à souder contractent le cordon longitudinalement pendant le refroidissement, en outre le déplacement du point de fusion fait solidifier un bord de la tôle avant de l'autre.

Figure 4.3.6 Distribution des contraintes résiduelles dans un cordon de soudure bout à bout
Figure 4.3.6 Distribution des contraintes résiduelles dans un cordon de soudure bout à bout

La figure N° 4.3.6 donne un exemple de la distribution de ces contraintes dans le cas d'un simple joint bout à bout transversal. Ces contraintes tirent leur origine des dilatations longitudinales empêchées. La présence de contraintes résiduelles dans un cordon de soudure est inévitable ; leur influence change la distribution des contraintes dans la zone de transition entre le matériau de base et le matériau d'apport. En plus, l'état de compression généré par les contraintes résiduelles proche de la surface, cause un phénomène de fermeture de fissure qui retarde sa propagation.

Coefficients de concentration de contraintes des les cordons de soudure (page suivante)Joints soudés (page Précédente)
AccueilImprimerRéalisé avec SCENARI